Laserlys ved nyttige bølgelængder fra halvleder nanotråde

Trådlignende halvlederstrukturer kaldet nanotråde, så tynde, at de effektivt er endimensionelle, vise potentiale som lasere til applikationer inden for computere, kommunikation, og sansning. Forskere ved Technische Universitaet Muenchen (TUM) har demonstreret laservirkning i halvleder nanotråde, der udsender lys ved teknologisk nyttige bølgelængder og fungerer ved stuetemperatur. De har nu dokumenteret dette gennembrud i journalen Naturkommunikation og, i Nano bogstaver , har afsløret yderligere resultater, der viser forbedret optisk og elektronisk ydeevne.

"Nanowire-lasere kunne repræsentere det næste skridt i udviklingen af ​​mindre, hurtigere, mere energieffektive lyskilder, " siger prof. Jonathan Finley, direktør for TUMs Walter Schottky Institute. Potentielle applikationer omfatter optiske sammenkoblinger på chip eller endda optiske transistorer til at fremskynde computere, integreret optoelektronik til fiberoptisk kommunikation, og laser-arrays med styrbare stråler. "Men nanotråde er også lidt specielle, " tilføjer Finley, "ved at de er meget følsomme over for deres omgivelser, har et stort overflade-til-volumen-forhold, og er små nok, for eksempel, at stikke ind i en biologisk celle." Således kan nanotrådlasere også vise sig at være nyttige i miljømæssig og biologisk sansning.

Disse eksperimentelle nanotrådlasere udsender lys i det nær-infrarøde, nærmer sig "sweet spot" for fiberoptisk kommunikation. De kan dyrkes direkte på silicium, præsenterer muligheder for integreret fotonik og optoelektronik. Og de fungerer ved stuetemperatur, en forudsætning for applikationer i den virkelige verden.

Skræddersyet i laboratoriet, med blik for industrien

Så små som de er - tusind gange tyndere end et menneskehår - har nanotrådslaserne, der blev demonstreret på TUM, et komplekst "kerne-skal"-tværsnit med en profil af forskellige halvledermaterialer, der er skræddersyet praktisk talt atom for atom.

Nanotrådenes skræddersyede kerne-skal struktur gør dem i stand til at fungere både som lasere, genererer sammenhængende lysimpulser, og som bølgeledere, ligner optiske fibre. Ligesom konventionelle kommunikationslasere, disse nanotråde er lavet af såkaldte III-V-halvledere, materialer med det rigtige "båndgab" til at udsende lys i det nær-infrarøde. En unik fordel, Finley forklarer, er, at nanotrådsgeometrien er "mere tilgivende end bulkkrystaller eller film, giver dig mulighed for at kombinere materialer, som du normalt ikke kan kombinere." Fordi nanotrådene opstår fra en base, der kun er ti til hundredvis af nanometer i diameter, de kan dyrkes direkte på siliciumchips på en måde, der afhjælper restriktioner på grund af krystalgittermismatch – hvilket giver materiale af høj kvalitet med potentiale for høj ydeevne.

Sæt disse egenskaber sammen, og det bliver muligt at forestille sig en vej fra anvendt forskning til en række fremtidige anvendelser. Der er stadig en række væsentlige udfordringer, imidlertid. For eksempel, laseremission fra TUM nanotrådene blev stimuleret af lys - ligesom nanotrådslaserne blev rapporteret næsten samtidigt af et hold ved Australian National University - men praktiske anvendelser vil sandsynligvis kræve elektrisk injicerede enheder.

Nanowire-lasere:en teknologisk grænse med lyse udsigter

De nyligt offentliggjorte resultater skyldes i høj grad et team af forskere, der begynder deres karriere, under vejledning af Dr. Gregor Koblmueller og andre seniorforskere, ved grænsen til et nyt felt. Ph.d.-kandidater, herunder Benedikt Mayer, Daniel Rudolph, Stefanie Morkötter og Julian Treu kombinerede deres indsats, arbejder sammen om fotonisk design, materiel vækst, og karakterisering ved hjælp af elektronmikroskopi med atomopløsning.

Igangværende forskning er rettet mod bedre forståelse af de fysiske fænomener, der virker i sådanne enheder, såvel som mod at skabe elektrisk injicerede nanotrådlasere, optimere deres ydeevne, og integrere dem med platforme til siliciumfotonik.

"I øjeblikket har meget få laboratorier i verden evnen til at dyrke nanotrådmaterialer og -enheder med den præcision, der kræves, " siger medforfatter prof. Gerhard Abstreiter, grundlægger af Walter Schottky Institute og direktør for TUM Institute for Advanced Study. "Og stadigvæk, " forklarer han, "vores processer og design er kompatible med industrielle produktionsmetoder til databehandling og kommunikation. Erfaring viser, at dagens helteeksperiment kan blive morgendagens kommercielle teknologi, og gør det ofte."